Расчетным путем коэффициент фильтрации определяется преимущественно для песков и гравелистых пород. Эти методы являются приближенными и рекомендуются на начальных этапах исследования. Для расчетов используют одну из многочисленных эмпирических формул, связывающих коэффициент фильтрации грунта с его гранулометрическим составом, пористостью степенью однородности
Лабораторные методы основаны на изучении скорости движения воды через образец грунта при различных градиентах напора. Все приборы для лабораторного определения коэффициента фильтрации могут быть подразделены на два типа: с постоянным напором и с переменным. Рисунок 1
Принцип работы приборов: В цилиндрический сосуд с двумя боковыми пьезометрами П1 и П2 помещают испытуемый грунт, через него фильтруют воду под напором. Зная диаметр цилиндра F, напорный градиент (I = ΔH/L) и измеряя расход профильтровавшейся воды Q, находим коэффициент фильтрации по формуле kф = QL/F(h1-h2),
Где h1 и h2 – показатели пьезометров; L – расстояние между точками их соединения
Приборы, моделирующие постоянство напорного градиента, т. е. установившееся движение, применимы в основном для грунтов с высокой водопроницаемостью, например для песков. Для суглинков и супесей применяют приборы типа ПВГ (Рисунок 5), позволяющие определять коэффициент фильтрации образцов с нарушенной и ненарушенной структурой. Для глинистых пород наибольшее значение имеет определение коэффициента фильтрации в образцах с ненарушенной структурой, обжатых нагрузкой, под которой грунт будет находиться в основаниях зданий и сооружений.
Приборы, моделирующие переменный напор, характеризующий неустановившееся движение, обычно используют для определения коэффициента фильтрации связных грунтов с малой водопроницаемостью.
Простота и дешевизна лабораторных методов позволяет широко их использовать для массовых определений коэффициента фильтрации.
Полевые методы позволяют определить коэффициент фильтрации в условиях естественного залегания пород и циркуляции подземных вод, что обеспечивает наиболее достоверные результаты.
Коэффициент фильтрации водоносных пород определяют с помощью откачек воды из скважин, а в случае неводоносных грунтов – методом налива воды в шурфы и нагнетанием воды в скважины.
Наилучшим питьевым качеством обладают воды при pH = 6,5…8,5. Химически чистая вода бесцветна. Окраску воде придают механические примеси. Прозрачность воды зависит от цвета и наличия мути. Вкус связан с составом растворенных веществ: соленый – от хлористого натрия, горький – от сульфата магния и т. д. Запах зависит от наличия газов биохимического происхождения (сероводород и др.) или гниющих органических веществ.
Вода для питьевых целей должна быть бесцветна, прозрачна, не иметь запаха, быть приятной на вкус. Количество растворенных солей не должно превышать 1,0 г/л. Не допускается содержание вредных для здоровья человека химических элементов (уран, мышьяк и др.) и болезнетворных бактерий. Последнее в известной мере может быть нейтрализовано обработкой воды ультразвуком, хлорированием, озонированием и кипячением.
Агрессивность подземных вод выражается в разрушительном воздействии растворенных в воде солей на строительные материалы, в частности, на портландцемент. Поэтому при строительстве фундаментов и различных подземных сооружений необходимо уметь оценивать степень агрессивности подземных вод и определять меры борьбы с ней. В существующих нормах, оценивающих степень агрессивности вод по отношению к бетону, кроме химического состава воды, учитывается коэффициент фильтрации пород. Одна и та же вода может быть агрессивной и неагрессивной. Это обусловлено различием в скорости движения воды — чем она выше, тем больше объемов воды войдет в контакт с поверхностью бетона и, следовательно, значительнее будет агрессивность.
По отношению к бетону различают следующие виды агрессивности подземных вод:
Общекислотная – оценивается величиной pH.
Сульфатная – определяется по содержанию иона SO42-
Магнезиальная – устанавливается по содержанию иона Mg2+
Карбонатная – связанная с воздействием на бетоны агрессивной углекислоты (возможен только в песчаных породах)
Агрессивное действие подземных вод на металлы (коррозия металлов). Подземная вода с растворенными в ней солями и газами может обладать интенсивной коррозионной активностью по отношению к железу и другим металлам. Подземные воды обладают коррозионными свойствами при содержании в них также агрессивной углекислоты, минеральных и органических кислот, солей тяжелых металлов, сероводорода, хлористых и некоторых других солей. Мягкая вода действует значительно агрессивней, чем жесткая. Влияние сильнокислых и сильно щелочных вод способствует наибольшему разъеданию металлов. Коррозии способствует повышение температуры воды, увеличение скорости ее движения, электрического поля в грунтовых толщах.
9. Опишите методы инженерно-геологических исследований (бурение скважин, определение устойчивости склонов).
Буровая скважина – представляет собой круглые вертикальные или наклонные выработки малого диаметра, выполненные специальным буровым инструментом. Диаметр скважины от 100 до 150 мм. Для лабораторных испытаний нужны образцы диаметром не менее 100 мм. В буровых скважинах различают устье, стенки и забой.
Бурение применяется в основном для исследования горизонтальных или пологопадующих пластов. С помощью бурения выясняют состав, свойства, состояние грунтов, условия их залегания. Вся эта работа основывается на исследовании образцов пород, которые непрерывно извлекаются из скважины по мере ее углубления в процессе бурения. В зависимости от способа бурения и состава пород образцы могут быть ненарушенной, (такая структура называется керн) и нарушенной структуры.
Преимущество бурения перед другими способами – высокая скорость, возможность достижения больших глубин (нескольких километров, при поисках нефти, газа) высокая механизация, мобильность.
Недостатки – малый диаметр скважины не позволяет производить непосредственный осмотр стенок, размер образцов ограничен диаметром скважины, по одной скважине невозможно определить элементы залегания слоев. Проходка скважины бывает затруднена в слабых водонасыщенных породах вследствие обваливания или оплывания стенок. Для их крепления применяют стальные обводные трубы, которые опускают в скважины и продолжают бурение.
По мере проходки скважины, оформляется ее геологическая документация в виде геолого-литологической колонки, по которой видно, как залегают слои, их мощность, литографический тип, глубина залегания уровня грунтовых вод, место отбора пород в виде керна, возраст пород в индексах.
Отбор пород: пробы берут послойно на всю глубину выработки, но не реже, чем каждые 0,5-1 м. Наиболее детально обследуют слой, который будет несущим основанием. Обязателен отбор монолитов, т.е. слоев с сохранением структуры. Это особенно важно при отборе слоев из связных дисперсных пород (глины суглинки), в которой кроме структуры необходимо сохранить природную влажность. Монолиты немедленно парафинируют, т. е. обматывают слоем марли пропитанной парафиногудронной смесью, подогретой до 60-65 оС. Рекомендуемые размеры монолитов в скважине – цилиндры высотой 20-30 см. Помимо монолитов, отбирают образцы нарушенной структуры и образцы рыхлых пород, Вес каждой пробы составляет до 0,5 кг.
Пробы воды берут из каждого водоносного горизонта в объеме от 0,5 до 2 литров. Вода набирается в чистую специальную емкость и тщательно закупоривается.
Для оценки устойчивости склона инженерно-геологические изыскания следует проводить, как правило, на всей площади опасного (потенциально опасного) склона и прилегающих к его верхней бровке и подошве зон (до предполагаемой границы устойчивой части склона). Для береговых склонов - с обязательным охватом их подводных частей, в том числе в случаях, когда территория проектируемого объекта занимает только часть склона. Границы обследуемой территории необходимо определять с учетом ожидаемого негативного техногенного воздействия (при хозяйственном освоении площадки проектируемого строительства и прилегающей территории) и развития оползне- и обвалообразующих процессов (боковой и донной эрозии, абразии, выветривания и др.)
При изысканиях на оползне- и обвалоопасных склонах необходимо устанавливать типы и подтипы склоновых процессов по механизму смещения пород, условия их возникновения и характер проявления. Выявлять взаимосвязь оползневых деформаций с рельефом, геологическим строением, воздействием подземных вод, инженерно-геологическими процессами (эрозия, абразия, выветривание, подтопление, осушение и др.), а также с результатами хозяйственной деятельности (подрезка, пригрузка склонов, изменение уровня подземных вод, уничтожение древесной растительности, динамические нагрузки и т.п.). Возможны промежуточные типы опасных склоновых процессов, а также наличие сложного (комбинированного) механизма их проявления.
Цель состава и объема изыскательских работ является определение:
типов склоновых процессов, развитых в районе, времени (возраста) и причин их возникновения; стадии (фазы) развития, характера деформаций в имеющихся на склоне зданиях и сооружениях; состояния сооружений инженерной защиты и эффективности их работы; приуроченности склоновых процессов к определенным геологическим образованиям, тектоническим структурам и геоморфологическим элементам; влияния гидрогеологических, гидрологических и метеорологических условий на возникновение склоновых процессов; влияния рельефа, крутизны и экспозиции склона на проявления оползней и обвалов; роли хозяйственной деятельности в активизации склоновых процессов; наличия других видов современных экзогенных геологических процессов (выветривание, эрозия, абразия и т.п.) и определения степени их влияния на устойчивость склонов и, в частности, на возникновение и развитие на них оползней, осыпей и обвалов разных типов
Состав работ:
Сбор и обработка материалов изысканий и исследований прошлых лет. В результате анализа и обработки собранных материалов и данных рекомендуется определять количественные показатели степени развития склоновых процессов
Маршрутные наблюдения в процессе рекогносцировочного обследования и оползневой съемки. Это описание и оценка состояния поверхности склона и его характерных особенностей на отдельных оползневых, осыпных и обвальных участках; выявление визуальных проявлений оползневых, осыпных и обвальных процессов на поверхности склона; выявление проявлений свежей эрозионной или абразионной подсечки склонов и т. д. В процессе маршрутных наблюдений следует намечать места размещения горных выработок, пункты (створы) проведения других видов работ, в том числе геофизических исследований и стационарных наблюдений. Выбор вида, способов, конструкции и
технологий проходки буровых скважин
Геофизические исследования осуществляют определение фактических и потенциально возможных зон оползневого смещения, комплексом методов электроразведки и электропрофилирования, а также сейсморазведки; выделения зон разной степени выветрелости, определения мощности оползневых масс грунтов, осыпей и обвальных отложений и т.д.
Полевые исследования выявляют условия залегания, мощности и распространения в плане и по глубине ослабленных зон в толще склоновых отложений (перемятых грунтов, суффозионного разуплотнения и т.п.), оценки динамической устойчивости песчаных грунтов, возможности их разжижения (статическое и динамическое зондирование); оценки прочностных свойств слабых разновидностей грунтов, имеющих определяющее значение в оползневом процессе (вращательный и поступательный срезы в скважинах); оценки прочностных свойств неоднородных, слоистых трещиноватых или крупнообломочных пород (срез целиков грунтов по заданным плоскостям, контактам, поверхностям напластования, трещинам в шурфах и котлованах).
Гидрогеологические исследования выполняются с целью оценки величин сезонных колебаний уровней подземных вод и гидродинамического давления по всем водоносным горизонтам оказывающим воздействие на устойчивость рассматриваемого склона; выявления и установления характера взаимосвязей между
режимом подземных вод и оползневыми процессами; установления источников питания подземных вод, в том числе техногенного происхождения (утечки производственно-хозяйственных вод, поливы и т.п.); выявления водоносных горизонтов, играющих определяющую роль в оползневом процессе; установления взаимосвязи между водоносными горизонтами и поверхностными водами;
Лабораторные исследования грунтов для изучения оползневых процессов следует проводить в основном на образцах, отобранных из грунтов основного деформируемого горизонта. Обязательному опробованию подлежат грунты в зоне плоскостей смещения, ослабленных, перемятых, разуплотненных и водонасыщенных слоев грунта, зон тектонических нарушений и др. При выполнении лабораторных исследований методы подготовки грунтов к испытаниям должны учитывать предполагаемые воздействия различных факторов на исследуемый грунт: изменения его напряженного состояния и степени уплотнения при снятии нагрузки, оползневых или обвальных смещениях, выветривании и других воздействиях. Лабораторные исследования проб подземных вод, отобранных для выявления источников обводнения оползней, следует осуществлять по стандартному комплексу с выполнением при необходимости дополнительных анализов.
Камеральная обработка материалов инженерно-геологических изысканий и составление технического отчета о выполненных изысканиях должны дополнительно включать оценку устойчивости склонов с учетом возможного развития склоновых процессов
Устойчивость склона определяется соотношением сил, стремящихся столкнуть массу пород вниз по склону, и сил, которые сопротивляются этому процессу. Рисунок 6
Устойчивость земляных масс на склонах выражается уравнением
| T=Ntgφ+CF |
Где T – сдвигающая составляющая веса массива; N – нормальная составляющая веса; F – поверхность скольжения оползня; С – сцепление; tgφ – коэффициент внутреннего трения
Степень устойчивости склона определяется коэффициентом
| Kуст= Ntgφ+CF)/T |
Числитель отражает сумму сил, которые сопротивляются возникновению оползня, в знаменателе – сталкивающие силы.
Сопротивление оползню оказывает сцепление и внутреннее трение пород. К сдвигающим силам относят вес пород, расположенных на них зданий и сооружений, гидростатическое и гидродинамическое давление подземных вод и т. д.
При kуст >1 склон находится в устойчивом состоянии; При kуст =1 в предельном равновесии; При kуст <1 в неустойчивом положении и даже происходит оползание.
Для того, чтобы склон стал неустойчивым и земляные массы начали сползать, необходимо дополнительное воздействие. Сползание может произойти под действие природных процессов или от производственной деятельности человека.
Список литературы
1 Ананьев В. П. Потапов А. Д. Инженерная геология
2. Черноусов С.И. Основы инженерной геологии для транспортных строителей
3. СП 11-105-97 _ ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ИЗЫСКАНИЯ ДЛЯ СТРОИТЕЛЬСТВА_ ЧАСТЬ II_ ПРАВИЛА ПРОИЗВОДСТВА РАБОТ В РАЙОНАХ РАЗВИТИЯ ОПАСНЫХ ГЕОЛОГИЧЕСКИХ И ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ